Post on 01-Oct-2021
“Genética Quantitativa,
Arquitetura Genética e
Evolução Morfológica”
Nilsson-Ehle (1909)
E. M. East (1916)
Efeitos genéticos e
não genéticos em
caracteres
quantitativos
Expressos em termos de
variância genética e não
genética
Sir Ronald Aylmer Fisher
(1890-1962)
Sem variação
ambiental
COM variação
ambiental
O que acontece
quando a variação
ambiental é ainda
maior que nestes
gráficos?
Mensagem: Em geral
não conseguimos seguir
os efeitos individuais
dos genes.
Você consegue ver isto
na figura abaixo com 3
loci?
Analogia Náutica
• Profundidade rasa
• Ancôra no fundo
• Posição relativa
fixa (ou com pouca
variação em relação
a terra)
Genética Mendeliana
• 1 ou poucos loci
• Genética
mendeliana
• Identifica os efeitos
de loci especificos e
de alelos em uma
escala conveniente
Genética Quantitativa
• Muitos loci
• Genética
Quantitativa
• Identifica os efeitos
de multiplos loci em uma
escala relativa a média
Analogia Náutica
• Profundidade
oceânica (alto mar)
• Ancôra flutuante
(sea anchor)
• Posição relativa
as ondas e ao vento
Média fenotípica e variância de um
caráter fenotípico
IS-PM
N of cases 52
Mean 5.626
Variance 0.072
5.0 5.5 6.0 6.5
IS-PM
0
5
10
15
Co
un
t
0.0
0.1
0.2
Pro
po
rtion
pe
r Ba
r
NA
NSL
PMIS
NSL
NA
PM
IS
TS
ISPM
MT
PNS
APET
ZYGO
TSP
EAM
NA
NSL
FM
ZS
NA
NSL
PMIS
NSL
NA
PM
IS
TS
ISPM
MT
PNS
APET
ZYGO
TSP
EAM
NA
NSL
FM
ZS
Média e variância de uma distribuição
Valor fenotípico = valor genotípico + desvio ambiental
P = G + E
Valores genotípicos
São as médias dos valores fenotípicos de cada
classe genotípica:
Por exemplo, se uma amostra populacional foi
separada em três classes genotípicas, AA, Aa e aa, As
médias dos valores fenotípicos de cada genótipo são
os seu valores genotípicos (mm em vermelho):
AA Aa aa
33,7 21,5 17,4
Desvio Ambiental
É a variação em torno das médias dos valores
fenotípicos de cada classe genotípica:
Por exemplo, se uma amostra populacional foi
separada em três classes genotípicas, AA, Aa e aa, As
médias dos valores fenotípicos de cada genótipo são
os seu valores genotípicos (mm em vermelho) mas
existe variação em torno desta média (em verde):
AA Aa aa
28,3 - 33,7 – 39,02 18,06 - 21,5 - 24,94 14,61 - 21,5 - 20,18
Valor fenotípico = valor genotípico + desvio ambiental
P = G + E
Teoria completa e suficiente sobre a herança baseada
apenas nestes valores?
Organismos de reprodução sexuada
passam adiante seus genes e não seus
genótipos!
Valor fenotípico = valor genotípico + desvio ambiental
P = G + E
Organismos de reprodução sexuada passam
adiante seus genes e não seus genótipos!
Vamos juntar a informação sobre os valores dos
fenótipos + herança mendeliana + grau de
parentesco (genealógico)
Logo, para deduzir as propriedades de uma
população em conjunto com a sua estrutura
familiar nós temos que lidar com a transmissão
do “valor” dos pais para os filhos e isto não
pode ser feito por meio dos valores genotípicos
apenas, porque os pais passam adiante apenas
seus genes e não seus genótipos intactos para a
próxima geração, genótipos sendo criados
novamente em cada geração pela fusão de
gametas.
Precisamos de uma medida de “valor” que se
refere aos genes e não aos genótipos
Efeito médio de um alelo em particular é o
desvio médio em relação a média da população
daqueles indivíduos que recebem este alelo de
um dos pais com o outro alelo vindo ao acaso
da população.
Colocando isto de outra forma:
Pegue um número de gametas todos carregando o
alelo A1, una estes gametas com outros gametas
vindo ao acaso da população; a média dos
genótipos assim produzidos desvia da média
populacional por uma quantidade que é o efeito
médio do gene A1.
Qual a importância disto?
É um conceito que permite fazer a ligação entre a
genética Mendeliana Clássica (na qual a segregação
de genes individuais pode ser seguida através das
gerações) com a genética quantitativa (aonde isto
não é possivel), permitindo atribuir ao indivíduo
uma medida de valor que pode ser mensurada... Este
“valor” é chamado de valor de acasalamento
NOTE-SE: Efeito médio de uma alelo é um
conceito dual: individual e populacional (“tomado
ao acaso”)
É o efeito médio dos genes dos pais que irá
determinar o valor genotípico (fenotípico) médio da
sua prole.
O valor de um indivíduo, avaliado pelo valor médio
da sua prole é chamado Valor de Acasalamento.
Portanto ao contrário do efeito médio de uma alelo
(que em geral não é medido), o Valor de
Acasalamento pode ser medido:
Valor de Acasalamento
“Se um indivíduo é acasalado com um número de
outros indivíduos tomados ao acaso da população,
então seu valor de acasalamento é duas vezes o
desvio médio da prole em relação á média da
população”
O valor é multiplicado por 2 por que cada indivíduo
parental contribui com metade dos genes da prole
(outra metade vindo da população ao acaso)
Valor de Acasalamento - Base da semelhança por
parentesco
Efeito aditivo
AA Aa aa
O valor genotípico do heterozigoto é a média dos valores
genotípicos dos homozigotos. Cada alelo “a” adiciona um
valor constante, daí o nome.
Efeito de dominância
AA
Aa
aa
O valor genotípico do heterozigoto é igual ao valor
genotípico de um dos homozigotos. O alelo “A” domina
sobre o alelo “a”, bastando haver um único “A” para a
manifestação do fenótipo.
Efeito parcialmente dominante
AA Aa aa
O valor genotípico do heterozigoto está entre a média dos
valores genotípicos dos homozigotos e o valor de um deles.
Média(Aa, aa)
Efeitos dominantes e aditivos
(ignorando-se efeitos ambientais )
Tamanho do corpo, em cm.
Loco com
efeito de
dominância
Loco com efeito aditivo
A1A1 A1A2 A2A2
B1B1 5 6 7
B1B2 6 7 8
B2B2 6 7 8
Aditivo – efeitos dos alelos
Dominância – interação entre alelos
Epistático – interação entre genes
Variância fenotípica = Variância genética + Variância ambiental
Vp = Vg + Ve
Vg = Va (aditiva) + Vd (dominância) + Vi (epistática)
Vp = Va + Vd + Vi + Ve
Tipos de variância
Variância fenotípica: é a variância total da população. Inclui efeitos genéticos e não
genéticos.
Variância genética: é a variância que é devida as diferenças genéticas existente
entre os indivíduos da população. Exclui a variação causada por fatores ambientais.
Variância Aditiva = parte da variância
genética que é devida aos efeitos
individuais dos alelos – Variância dos
valores de acasalamento
Variância de Dominância - surge da
interação entre alelos de um locus
(interação entre alelos de um mesmo locus)
Variância Epistática - surge da interação
entre loci (interação entre alelos de
diferentes loci)
h2 = Va/Vp = b = COVxy / S2x
(VARIÂNCIA DOS PAIS S2x)
Onde x são as médias dos pais e y dos filhos
Precisamos de uma medida de “valor” que se
refere aos genes e não aos genótipos
Efeito médio de um alelo em particular é o
desvio médio em relação a média da população
daqueles indivíduos que recebem este alelo de
um dos pais com o outro alelo vindo ao acaso
da população.
*** Métodos especiais para o estudo da genética de um caráter
contínuo
Distribuição fenotípica + Genealogia (parentesco) = Análise genética
Variância fenotípica = Variância genética + Variância ambiental
Vp = Vg + Ve
A equação de resposta a Seleção Direcional
R = h2 S
h2 = 1
h2 = 0
VA/VP = 1
VA/VP = 0
Karl Sax – 1923 Genetics –
3 “marcadores fenotípicos”, 1 caráter continuo = peso do grão
QTL = “Quantitative Trait Loci”
Une a Genética quantitativa com a biologia
molecular na busca da identificação dos genes
responsáveis pela variação fenotípica
Métodos para mapear QTL’s
- Desenho experimental para estimar efeitos e posição de mapa de QTL’s
são extensões dos métodos utilizados para mapear “genes maiores” ( =
3 x ou mais desvios padrões) ou “mendelianos” --------BASEADOS NO
DESEQUILÍBRIO DE LIGAÇÃO
- Desequilíbrio entre alelos em locus ou loci “marcadores” e alelos no
“gene(s) quantitativo” ligado a este marcadores.
- Precisamos então:
1) Um mapa de ligação dos loci marcadores polimórficos que cubra o
genoma totalmente
2) Variação para o caráter contínuo dentro e entre populações ou linhagens
Escolha dos marcadores:
1) Altamente polimórficos (indivíduos diferentes provavelmente carregam
alelos diferentes naquele locus)
2) Abundantes (assim cobrindo completamente o genoma)
3) Neutros (tanto sem efeito em relação ao caráter quantitativo quanto a
aptidão)
4) co-dominantes (todos os genótipos podem ser identificados)
Até recentemente marcadores fenotípicos (como em Sax 1923) ou proteínas
----Mas não são exatamente “bons” marcadores
A partir da década de 80....
RFLP’s, VNTR, Mini-satélites, micro-satélites, RAPD, etc
Princípio
Indentificamos os QTL’s por ligação aos loci marcadores:
indivíduos são genotipados para os loci marcadores e
medidas são tomadas para o(s) caracteres fenotípicos de
interesse
- Se existe diferença no fenótipo médio entre as classes
genotípicas dos marcadores, então pode-se inferir a
presença de um QTL’s ligado ao marcador. Marcadores
podem ser considerados individualmente ou em conjunto
Cruzamento entre linhagens (populações) que diferem para o caráter em questão
ou populações segregantes
Aqui começa a entrar o poder da Estatística junto com um modelo genético. Se
fôssemos fazer uma comparação independente para cada marcador teríamos que
fazer duas considerações:
1. Em uma série de comparações independentes, é esperado que algumas delas (em
5% dos casos para ser mais exato) sejam significativas por acaso. Sabendo disso,
corremos o risco de não podermos detectar um QTL que exista realmente pois
apenas poderíamos considerar efeitos muito mais fortes que aqueles detectados pelo
nível de 5%, padrão em experimentos biológicos, para evitar conclusões espúrias.
2. Os desvios ao acaso que existem em qualquer experimento ocorrem em ambos os
sentidos.
Para evitar esses problemas, é importante que utilizemos
informações de todos os marcadores em conjunto.
Felizmente temos um meio para isso que é o método de máxima
verossimilhança. É possível entendê-lo intuitivamente.
Imaginemos um número infinito de pontos dispostos sobre uma
linha (uma premissa bastante razoável pois os genes estão
arranjados linearmente sobre o cromossomo). Cada ponto terá uma
determinada distância de cada um dos marcadores. Quanto maior
for a distância, menor a probabilidade de que o marcador esteja
detectando os efeitos daquele ponto.
Admitimos isso pois a probabilidade de recombinação aumenta com
a distância. Calculamos então, para cada um dos pontos
imaginários, os efeitos detectados por cada um dos marcadores
multiplicados por uma função que é inversamente proporcional à
distância entre o ponto e o marcador. Colocando isso em um gráfico
teremos algo do tipo:
Prof. Sergio Matioli
http://www.ib.usp.br/evolucao/QTL/metodos.html
Efeito aditivo
AA Aa aa
O valor genotípico do heterozigoto é a média dos valores
genotípicos dos homozigotos. Cada alelo “a” adiciona um
valor constante, daí o nome.
Efeito de dominância
AA
Aa
aa
O valor genotípico do heterozigoto é igual ao valor
genotípico de um dos homozigotos. O alelo “A” domina
sobre o alelo “a”, bastando haver um único “A” para a
manifestação do fenótipo.
Efeito parcialmente dominante
AA Aa aa
O valor genotípico do heterozigoto está entre a média dos
valores genotípicos dos homozigotos e o valor de um deles.
Média(Aa, aa)
Poucos ou muitos genes? Qual a intensidade dos efeitos???
São todos aditivos? Têm dominância? Completa ou parcial?
Fruit Weight QTL map in Combined experiment
http://zamir.sgn.cornell.edu/
Fruit Length QTL map in Akko - 2002 - Wet experiment
We report a bovine linkage map constructed with 1236 polymorphic DNA markers and 14 erythrocyte antigens and serum proteins. The 2990-cM map consists of a sex-specific, X chromosome linkage group and 29 sex-averaged, autosomal linkage groups with an average interval size of 2.5 cM.
Large Female and Small Male
MacArthur, 1939
•Selected for DecreasedBody Weight at 60 days
•Cross of 7 Inbred Strains•8 inbred parents (black & tan used
twice)•Transferred to Jackson Labs
in 1940s
SM/J
Goodale, 1930
•Selected for IncreasedBody Weight at 60 days
•Albinos from commercial breeder
•5 ♂ and 11 ♀ parents•Transferred to Jackson Labs in 1948
LG/J
Outro complicador na herança e
evolução de caracteres quantitativos
Pleiotropia = efeito de um loco
sobre mais de um caráter
Têm pleiotropia?????
Busca de genes candidatos
Arquitetura genética complexa
Vários genes, a maioria de pequeno efeito (menos ou até 1 desvio padrão)
Muita pleiotropia
Diversos graus de aditividade e dominância
Muita epistasia
Problemas e perspectivas
QTL’s são uma subestimativa (2 QTL’s próximos contam como 1; + x – cancelam
o efeito)
Limite de resolução = 20 cM (ou 20.000.000 bp em humanos ou 40.000.000 em
camundongos ou 10.000.000 em Drosophila)
QTL identificado é um segmento do cromossomo (pode conter vários loci) –
mapeamento fino chega-se à 3 cM
Genes candidatos e clonagem de posição
Módulos
Mapa Genotípico-Fenotípico
Evolução da modularidade – Note que o conceito de
módulos se aplica a vários níveis na hierarquia
biológica (do molecular ao organismal)
Como pode a aquitetura genética evoluir?
Epistasia modificando pleiotropia...
Espistasia – quando a expressão de um gene (e sua
manifestação fenotípica) depende de um outro gene
que não é um dos seus alelos. Ou seja, a expressão
de um locus depende da variação em outro locus (ou
loci)
Pleiotropia – Quando um gene (locus) afeta mais de
um caráter ao mesmo tempo
Large Female and Small Male
50 55 60 65 70
LONGBONE
9.0
9.5
10.0
10.5
11.0
NE
UR
WD
SU
P
SSLLLLSS
Chr 2.2 / 3.1 genotype
R = 0.257; 6 % of all
variation in braincase width
explained by “body size”
R = 0.711; 50.5% of all
variation in braincase width
explained by “body size”
C
Equality of variances tests between the two genotypes on
Longbone non-significant and for NeurWdSup barely – P =
0.047
h2 = 0.794; P < 0.00001
-30 -20 -10 0 10 20 30
Mid-parent weight
-20
-10
0
10
20
Off
sp
rin
g h
eig
ht
Genetic Correlation
Genetic Correlation
• phenotypic correlation = genetic + environmental
correlation
• rP = rA + rD + rE
• rP = hxhyrA + exeyrE
Evolução Darwiniana
Δz = Gβ
EVOLUÇÃO = VARIAÇÃO * SELEÇÃO
HERDADA
SelecionadoNão Selecionado
XB
SX
YB
YASY
Seleção aparente em Y com seleção direta no caráter correlacionado X
XA
Selecionado
X’B
βX
Y’BY’AβY = 0
X’A
Seleção direta em X Independente da Seleção direta no
Caráter Correlacionado Y
Não Selecionado
X
Y
-
+
} Isoclinas de aptidão
Direção da
seleção - β
Δz - Direção da evolução
G
• Resposta evolutiva à seleção (Δz ) desvia da direção da
seleção (β ) por causa do padrão da matriz de variância/covariância
genetica (G = faz o papel da h2 na equação univariada R= h2S, e
portanto e devido primordialmente aos efeitos dos alelos em todos os
genes individuais afetando os caracteres em questão)
Δz = Gβ
NA
NSL
PMIS
NSL
NA
PM
IS
TS
ISPM
MT
PNS
APET
ZYGO
TSP
EAM
NA
NSL
FM
ZS
NA
NSL
PMIS
NSL
NA
PM
IS
TS
ISPM
MT
PNS
APET
ZYGO
TSP
EAM
NA
NSL
FM
ZS
Average IS_PM IS_NSL NSL_NA
8.887 IS_PM 0.399 0.489 -0.103
24.803 IS_NSL 0.623 4.058 -0.336
17.68 NSL_NA -0.147 -1.53 5.112
1.00 0.00 0.00 -0.58
0.00 1.00 0.00 0.58
0.00 0.00 1.00 -0.58
Δz1Δ z 2 Δ z 3 Δ z 4
0.40 0.62 -0.15 0.51
0.62 4.06 -1.53 1.82
-0.15 -1.53 5.11 1.98
Averages after selection
9.29 9.51 8.74 9.39
25.43 28.86 23.27 26.62
17.53 16.15 22.79 19.66
ISP
MIS
NS
L
ISPM
NS
LN
A
ISNSL NSLNA
Plano de
melhor ajusteCorrelação
entre x e y Gradiente de
seleção
(vetor)
+ (inclinação) -
Resposta
Removem
a
correlação
para estes
graficos